Evaluador NI CompactRIO para Localización de Fuentes Acústicas Mediante Procesado en Array en Tiempo Real

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Array para fuentes acústicas

El objetivo principal ha sido la evaluación y test de la plataforma LabVIEW / CompactRIO para el desarrollo de aplicaciones de procesado en array. De forma secundaria se ha querido evaluar la viabilidad de implementar un gestor en tiempo real, así como de paralelizar el procesado de array a la hora de implementar los algoritmos de conformación de haz. Finalmente se persigue el desarrollo de un sistema sencillo y coste reducido que permita la localización de fuentes acústicas, mediante técnicas de array en tiempo real.

Introducción:

 Los sistemas de procesado en array requieren el conocimiento de múltiples dispositivos, que se programan con distintas herramientas y lenguajes y donde es necesario un alto grado de conocimiento del funcionamiento del hardware y de las técnicas de programación, para la captura y procesado en tiempo real de múltiples canales. La necesidad de desarrollar de forma rápida prototipos de procesado en array nos ha llevado a seleccionar la herramienta de desarrollo LabVIEW conjuntamente con la plataforma CompactRIO que integra de forma transparente un procesador FPGA y un conjunto de módulos de entrada y salida analógicos y digitales.

Se ha desarrollado un localizador de fuentes acústicas en tiempo real para un array constituido por cuatro micrófonos distribuyéndose el procesado entre el microcontrolador y la FPGA de la plataforma CompactRIO. Esta plataforma se ha adaptado a nuestros requisitos y especificaciones en los distintos ámbitos: ejecución en tiempo real, adquisición simultanea de canales, procesado en paralelo y control.

 Especificaciones:

 El sistema tiene que localizar fuentes acústicas en rango y acimut, con precisiones superiores a los 0.25 m y 5º respectivamente. El procesado espacial, debe ser paralelizable e implementable dentro de la FPGA mediante aritmética en punto fijo. El sistema debe permitir una calibración automática del posicionamiento del array y de las características de los micrófonos y la cadena de pre amplificación. El tiempo de procesado debe permitir estimar la localización al menos 10 veces por segundo.

El sistema tiene que tener un  interfaz de usuario, que permita la calibración del sistema, la ejecución y la lectura del ángulo y distancia de la fuente acústica.

 Descripción del hardware e implementación:

 Se ha construido un array lineal con cuatro micrófonos omnidireccionales equidistantes. La distancia entre micrófonos es de 5cm, y por tanto, la apertura espacial del array es de 15 cm. De forma auxiliar se dispone de un altavoz con amplificación. Se ha seleccionado la plataforma CompactRIO con el chasis modular 9103 con 4 slots y FPGA de 3M puertas, un controlador en tiempo real 9004, un módulo de entrada 9233 con 4 conversores A/D con muestreo simultáneo y un módulo de salida  NI-9263 con 4 conversores D/A. De forma complementaria se ha utilizado un módulo de salida digital NI-9474 con 8 canales, dotados de un monitor de leds, que permite visualizar de forma gruesa el ángulo de llegada de las señales.Los micrófonos se conectan a través de un pre amplificador a los puertos de entrada del módulo 9233 y el altavoz de calibración/medida se conecta a un puerto de salida del módulo 9263.

 Diseño y Desarrollo:

De forma general se realiza la adquisición de datos de los 4 canales de entrada y a continuación se implementa un conformado determinístico de tipo delay-sum, que de forma secuencial direcciona electrónicamente el array,  para un conjunto de ángulos, que barren uniformemente el espacio de vigilancia. Para cada dirección de apuntamiento se evalúa la energía recibida y se estima el retardo y el ángulo para el valor máximo.

Se han realizado dos aproximaciones para implementar la conformación, la primera basada en el microcontrolador y la segunda basada en la FPGA. En la  primera aproximación se utiliza la FPGA para capturar simultáneamente las señales de los cuatro canales. Posteriormente el microcontrolador implementa de forma iterativa la conformación para cada uno de los ángulos, almacenando el valor y posición del máximo. El estimador final obtiene el ángulo donde se produce el máximo valor.

 En la segunda aproximación se implementa en la FPGA un buffer por cada canal, y se ejecutan en paralelo los conformadores, de forma que la FPGA entrega al microcontrolador tantas señales como haces. El microcontrolador evalúa la energía recibida y obtiene el ángulo y retardo donde se produce el valor máximo. El algoritmo de conformación implementado es el delay-sum que se basa en retardar las señales y sumarlas sin requerir la realización de multiplicaciones.

Para la aproximación basada en FPGA cada una de las señales conformada se obtiene extrayendo en distintos puntos del buffer las señales y sumándolas en paralelo. Si la fuente acústica a localizar se genera por el propio sistema, mediante un pulso modulado o mediante una locución, podemos estimar tanto la distancia como el ángulo de llegada. En caso contrario solo podemos estimar el ángulo de llegada.

Resultados:

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